DE2523360A1 - Gasentladungselektronenstrahlerzeugungssystem zum erzeugen eines elektronenstrahls mit hilfe einer glimmentladung - Google Patents
Gasentladungselektronenstrahlerzeugungssystem zum erzeugen eines elektronenstrahls mit hilfe einer glimmentladungInfo
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Description
PHN 75fr8
Va/H j
16.5.75
"Gasentladungselektronenstrahlerzeugungsystem zum
Erzeugen eines Elektronenstrahls mit Hilfe einer Glimmentladung".
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasentladungsei ektronenstrahlerzeugungssystem zum Erzeugen
eines Elektronenstrahls mit Hilfe einer Glimmentladung,
das mindestens aus einer Umhüllung und Mitteln zum Aufrechterhalten eines gasförmigen ionisierbaren
Mediums innerhalb dieser Umhüllung besteht, welche Umhüllung mindestens eine zylindrische auf beiden
Seiten offene Anode und eine Kathode enthält, wobei aus dieser Kathode Elektronen durch Sekundäremission
509850/0731
PHN 7 ί '!
in einer derartigen Menge auggelöst werden, dass der
genannte Elektronenstrahl im wesentlichen aus diesen
Elektronen besteht.
Ein derartiges Gasentladungselektronenytrahlerzeugungssystem
ist aus der britischen Patentschrift 1.1^5·Ο13 (RrA, I1Ur-JaIe) bekannt. Positive Ionen aus
der - Glimmen ti ad:; ^ prallen auf die Kathode und lösen
dort infolge d.-r Tatsache, dass sie Sekundäremission
herbeiführen, Elektronen aus. Diese Elektronen werden von der Kathode ab beschleunigt. Bei der Kathode weist
das elektrische FeId8 dem die Ionen und Elektronen
ausgesetzt sind, eine starke radiale Komponente auf. Dadurch wird der Ionenstrom mehr oder weniger zu einem
kleinen Teil der Oberfläche in der· Mitte der Kathode gelenkt und die Sekundärelektronen verlassen
die Kathode in Form eines engen Strahles. Nach der genannten britischen Patentschrift weist die darin
beschriebene Vorrichtung einen hohen Wirkungsgrad auf, dadurch, dass d.le öffnung in der zylindrischen
Anode derart gross und der Abstand der zylindrischen Anode von der Kathode derart klein gewählt sind, dass
die Glimmentladung sich bis in die Anode erstreckt. In dieser Anode wird ein grosser Ionenstrom erzeugt,
der auf die Kathode fällt. Ebenfalls nach dieser britischen Patentschrift kann eine Höhlung in der
Mitte der Kathode einen gewissen Einfluss auf die 509850/0731
PHN 75^8 • 16.5.75
ι.
Form der elektrischen Feldes und somit auf die Form des Elektronenstrahls ausüben. Die Form des Elektronenstrahls
und die Leistung dieses Elektronenstrahls können über einen grossen Bereich durch Änderung eines
oder mehrerer Entladungsparameter geändert werden. Das Gasentladungselektronenstrahlerzeugungssystem
kann bei einem rohen Vakuum (Vorvakuum) arbeiten
«— 1 — P
(10 bis 10 Torr) und ist daher für Materialbear-
(10 bis 10 Torr) und ist daher für Materialbear-
beitungen, wie Bohren, Schveissen, Lackhärten usw.,
besonders geeignet, weil aus dem Werkstück stammende Gase und Dämpfe das Vakuum in verhältnismässig
geringem Masse stören. In den USA-Patentschriften 3.218.^+31 und 3.509.410 sind Gasentladungselektronenstrahlerzeugungssysteme
mit sogenannten hohlen Kathoden beschriebenen, die von den Kathoden gemäss der
vorgenannten britischen Patentschrift wesentlich verschieden sind. In einer hohlen Kathode nach den
genannten USA-Patentschriften wird der Elektronenstrahl nämlich direkt in dem sich in der hohlen
Kathode befindenden, gasförmigen ionisierten Medium (auch als Plasma bezeichnet) erzeugt. Die Kathode nach
der genannten britischen Patentschrift liefert jedoch
im wesentlichen Elektronen durch Sekundäremission wenigstens aus einem Teil der Kathodenoberfläche.
Das Gasentladungselektronenstrahlerzeugungssystem
nach der britischen Patentschrift, auch
509850/07*1
PHN 75^8 16.5.75
•lh
als Hohlanodenelektrohenstrahlerzeugungssystem bezeichnet,
hai sich in der Praxis für sehr genaue Bearbeitungen
bewährt.
Die Erfindung bezweckt, ein Gasentladungselek
tron en s trahlerz eugungs system zum Erzeugen eines
Elektronenstrahls zu schaffen, das eine hohe Beschleunigungsspannung
zwischen der zylindrischen Anode und der Kathode gestattet, ohne dass dabei Rauschen und
Durchschläge (Bogenentladungen) auftreten.
Weiter bezweckt die Erfindung, den Aufbau des Gasentladungselektronenstrahlerzeugungssystems
gedrängter zu machen, um auf diese Weise eine günstigere Wärmeableitung zu ermöglichen und ein Gasentladungselektronenstrahlerzeugungssystem
mit einem noch günstigeren Wirkungsgrad ((Kathodenstrom-Anodenstrom)/Kathodenstrom)
χ 100 ^ zu erhalten.
Drittens bezweckt die Erfindung, eine Konstruktion zu schaffen, die die Verschmutzung des Isoliermaterials
zwischen der zylindrischen Anode und der Kathode erheblich verringert utid ausserdem eine
Abschirmung gegen Röntgenstrahlung liefert.
Nach der Erfindung ist ein Gasentladungselektronenstrahlerzeugungssystem
der im ersten Absatz genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Kathodenoberfläche wenigstens ein Teil des Bodens einer
koaxial um die Achse der zylindrisehen Anode an-
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PHN 75^8 16.5.75
g.
geordneten Kathodenhülse ist, deren dem genannten Boden
gegenüber liegende zweite Seite offen ist.
Die Kathodenhülse weist das gleiche Potential wie die Kathode auf und übt einen gewissen Einfluss
auf die Form dex" Feldlinien in der Nähe der Kathode
aus, gleich wie die Höhlung in der Mitte der Kathode geinäss der genannten britischen Patentschrift. Beim
Fehlen der Kathodenhülse nach dex* Erfindung liefert
ein Teil der Entladung keinen Beitrag zu der Bildung des Elektronenstrahls, aber WOhl einen Beitrag zu
der Wärmeentwicklung in der Kathode, und führt zu Rauschen und Durchschlägen und somit zu Herabsetzung
des Wirkungsgrades. Auch wird durch das Vprhandensein der Kathodenhülse verhindert, dass die Isolierung
zwischen der zylindrischen Anode und der Kathode schlechter wird, indem diese mit einer aus zerstäubtem
Material der Kathode und Verunreinigungen aus dem gasförmigen ionisierbaren Medium in der genannten
Umhüllung bestehenden Schicht überzogen wird. Mit Hilfe der Kathodenhülse wird die Röntgenstrahlung
ausserhalb des Erzeugungssystems um einen Faktor 20 herabgesetzt, während, wenn die Kathode und die
Kathodenhülse in der Anode angeordnet sind, von Röntgenstrahlung ausserhalb des Gasentladungselektronenstrahlerzeugungssystems
nahezu nicht mehr die Rede ist. Beobachtungen haben ergeben, dass bei einer
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PHN 7 5 Ί S
Tiefe der Kathodenhülse nach der Erfindung (Abstand zwischen dor Kathodenoberfläche und der gegenüberliegenden
zweiten Seite) von k bis 8 mm das Gasentladungselektronenstrahlerzeugungsystem
befriedigend
wirkt und eine optimale Vix\kung bei einer Tiefe von
etwa 6 mm erreicht wird. Dies ist von dem Innendurchmesser der Kathoder,: also nahezu unabhängig. Der Innendurchmesser
muss wohl dem maximal dem Gasentladung^— elektronenstrahlerzeugungssystera entzogenen Strom
angepasst sein, z.B. 0. = 8 mm bei Strömen bis zu
ho niA. Es ist empf ehlensAirert, den Abstand zwischen
der Anode und der· Kathodenhülse an kleiner einzigen Stelle kleiner als 5 niIIi zu machen, um Durchschläge
zu vermeiden.
- ' Die von der Kathode herrührenden zerstäubten Materialien werden teilweise auf der Innenwand
der Kathodenhülse niederschlagen. Daher empfiehlt es sich, die genannte Kathodenhülse aus zwei koaxialen
ineinander passenden Zylindern herzustellen, von denen der innere Zylinder leicht ersetzt werden kann.
•Es stellt sich heraus, dass, wenn der Innenzylinder aus einer feinmaschigen elektrisch leitenden Gaze
hergestellt wird, die Verschmutzung sogar nach 2 bis 3 Betriebsstunden noch nicht zu Rauschen und
Durchschlägen führt. Ein Innenzylinder aus CuSn-Gaze hat sich als besonders geeignet erwiesen. Die Aussen-
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sexto des Inncnzylinders aus Gaze liegt an der Innenwand
des Aussenzylindcrs der Kalriodenliülse an und ist
also nicht direkt einem Niederschlag von Verunreinigungen
aus der Entladung ausgesetzt. Dadurch kann etwaige Störung herbeiführende Raumladung über die der
Innenwand des Aussonzylinders der Kathodenhülse zugewandte
Seite der genannten Gaze abfliessen. Ein optimales Verhältnis bei der Gaze zwischen der
Materialoborflache und der Lochoberfläche ist 1 : 3«
Eine Aluniiniumkathode in Vereinigung mit einer kupfernen Kathodenhülse mit gegebenenfalls
einem Inneiizylinder aus CuSn ergibt ein Elektronenstrahlerzeugungssystem
mit sehr hohem Wirkungsgrad. Dies lässt sich u.a. durch den hohen Sekundäremissionskoeffizienten
für Aluminium erklären.
Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
Figuren 1 bis 3 eine Anzahl möglicher Lagen der Kathode und der Kathodenhülse gegenüber der zylindrischen
Anode,
Fig. h eine Ansicht der Einzelteile einer Ausführungsform, und
Fig. 5 einen Schnitt durch eine Ausführungs-· form.
In Fig. 1 sind die Kathode 1 sowie die Katho-
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PIlN 75^8
10.5.75 •f.
deiihülse 3 in der zylindrischen Anode 2 angeordnet.
In Fig. 2 endet die Kathodenliülse 3 in dor zylindrischen
Anode 2, während sich die Kathode 1 ausserhalb
der zylindrischen Anode 2 befindet. In Fig. 3 befinden sich die Kathode 1 und die Kathodenhülse 3 ausserhalb
der zylindrischen Anode. Obgleich die letztere Konstruktion einen niedrigeren Wirkungsgrad als
die Konstruktion nach Fig. 2 und einen erheblich, niedrigeren Wirkungsgrad als die Konstruktion nach
Fig. 1 aufweist, kann in diesem Fall der Elektronenstrahldurchmesser
kleiner gemacht werden, weil die Elektrodengeometrie optisch günstiger ist. Die
Kathodenoberfläche darf in allen drei Konstruktionen
hohl oder sphärisch .oder nicht senkrecht zu der Achse des Gasentladungselektronenstrahlerzeugungssystems
angeordnet sein. Jedenfalls wird der Elektronenstrahl
k aus der Mitte der genannten Kathode austreten. Unter der Tiefe der Kathodenhülse ist dann stets der
Abstand der Mitte der Kathode von der gegenüberliegenden zweiten Seite zu verstehen. Die Kathode und
die Kathodenhülse können aus demselben Material und einstückig hergestellt sein. Es empfiehlt sich, in
diesem Falle Kupfer zu wählen. Bei Aluminium ergibt sich nämlich ein überzug mit A1„O„ auf der Innenseite
der Kathodenhülse, was zu Unstabilitäten führt.
Fig. h zeigt eine Ansicht dex- Einzelteile
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PHN 16.5.75
einer Λ us f iilmingsf orni- des GascntladungselektrononstraliicrzouKuncssystems
nach dor Erfindung. Die Kathode 1 passt zusammen mit dem gazeföi^migon Innencylinder
5 in die Kathodenhülso 3· Diese Kathodeiiliül.'io
ist koaxial in der zylindrischen Anode 2 angeordnet, die in dem Anodenring 6 ruht. Die Kathode
1 und die Kathodenhülse; 3 werden von dem Kühlkörper
7 gekühlt, durch deal über den Kanal 8 Luft fliesst.
Dej" Kühlkörper wird von der Buchse 9 verschlossen
und 1st in dem Kuns tstpf f (iso'lier)-Genauso 10 angeordnet.
Die Kühlluft wird über den Einlass 11 in den Kühlkörper 7 eingeführt, durchläuft den Kanal
8 und verlässt über die Öffnung 12 den Kühlkörper.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch das zusammengebaut
ο Gasen tladungseiektronenstrahlerζeugungssystem
nach Fig. h. Die Kathode 1 wird über den Kontakt 13 auf eine negative Spannung (z.B. 10 bis
100 kV) in bezug auf die zylindrische Anode 2 gebracht. Die Konstruktion ist mit Hilfe von 0-Rlng-Dichtungen
1^1 gasdicht gemacht. Die Kathode 1 kann
auch frei von der Kathodenhülse 3 angeordnet sein, so dass zwischen der Kathode und der Kathodenhülse
ein Spalt vorhanden ist. Die Kathodenhülse muss dann wohl elektrisch mit der Kathode, gegebenenfalls
übei' den Kühlköi-per, verbunden sein. Die
Kathode kann auch derart ausgebildet werden, dass
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stets ein anderer Teil derselben dom Ionenbeschuss
ausgesetzt wird. Die Kathode kann dazu z.B. rotierend ausgeführt werden.
Die Spannung zwischen der Anode und. dor
Kathode kann auch umgekehrt und so angepasst werden, dass ein Ionenstrahl statt eines Elektronenstrahls
erzeugt wird.
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Claims (1)
- PHN 75^8 · 16.5.75Pa fren t η nsprüchο:M .J Gas ent.ladungsei ektronun st rah lerzeugungssystein zum Erzeugen eines Elektronenstrahls mit HiITe einer Glimmentladung, das mindestens aus einer Umhüllung und Mitteln zum Aufrechterhalten eines gasförmigen ionisierbaren Mediums innerhalb dieser Umhüllung besteht, weiche Umhüllung mindestens eine zylindrische auf beiden Seiten offene Anode und eine Kathode enthält, wobei aus dieser Kathode Elektronen durch Sekundäremission in einer derartigen Menge ausgelöst worden, dass der genannte Elektronenstrahl im wesentlichen aus diesen Elektronen besteht, dadixrch gekennzeichnet, dass die aktive Eathodenoberfläche wenigstens ein Teil des Bodens einer koaxial um die Achse der zylindrischen Anode angeordneten Kathodenhülse ist, deren dem genannten Boden gegenüber liegende zweite Seite offen ist.2. Gasentladungselektroncnstrahlerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, c'ass der Abstand der genannten Kathodenoberflache von der genannten zweiten Seite zwischen k und 8 mm liegt. 3· Gasentladungselektronenstrahlerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der genannten Kathodenoberfläche von der genannten zweiten Seite etwa 6 mm beträgt. h. Gasontladungselektronenstrahlerzougungs-509850/0731PHN 75'48 16.5.75system nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Kathodenhülse aiis
zwei koaxial ineinander passenden Zylindern besteht, von denen dei* Innenzylinder leicht ersetzt werden
kann.5. Gasentladungselektronenstrahlerzeugungssystem nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Innenzylinder aus einer feinmaschigen elektrisch leitenden Gaze bestellt f6. Gasentladungselektronenstrahlerzeugungssystem nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet,
dass das Verhältnis zwischen der Materialoberfläche und der Lochoberfläche der* feinmaschigen Gaze etwa 1 : 3 beträgt.7« Gasentladüngselektronenetralilerzeugungssystem nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadiirch gekennzeichnet, dass die genannte feinmaschige Gaze
aus CuSn (Kupfer-Zinnlegierung) hergestellt ist.'
8. . . Gasentladungselektronenstrahlerzeugungssystem nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode aus Aluminium und
die Kathodenhülse aus Kupfer besteht.
9 ♦ Gasentladungselektronenstrahlerzeugungssystenl nach den Ansprüchen 4, 5» 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenzylinder aus Kupfer und die Kathode, aus Aluminium besteht.5 03850/0731Leerse ite
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |